專利名稱：高精度同步方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及時間數(shù)據(jù)管理的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及時鐘同步。
背景技術(shù)：
同步是分布式系統(tǒng)中實時應(yīng)用的正確操作所必不可少的關(guān)鍵問題之一?！胺植际较到y(tǒng)”是通過諸如通信網(wǎng)絡(luò)(有線或移動)、計算機網(wǎng)絡(luò)或多處理器硬件架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的實體的任意網(wǎng)絡(luò)集合。此外，在下文中，“實體”涉及任意處理器、應(yīng)用、節(jié)點，或更概括地涉及請求時間信息的方法或系統(tǒng)。通常，在分布式系統(tǒng)中，在多個請求公共時間概念的實體之間進(jìn)行區(qū)別。為了實現(xiàn)
這一點，第一步是讓所有實體涉及單一共享的全局時鐘；或給全部這些實體配置精確的同步時鐘。然而，在空間中這些實體的分布導(dǎo)致傳輸時間從一個實體到另一實體發(fā)生變化， 從而對于共享時鐘的即時全局視圖產(chǎn)生危害。此外，以同相開始的兩個時鐘將永不再保持同步。環(huán)境因素(例如溫度、氣壓、海拔高度、經(jīng)過多普勒效應(yīng)的移動性、電源電壓)中的短期變化、或諸如一個時鐘相對于另一個時鐘老化的長期變化，導(dǎo)致或多或少的顯著偏移 (最多可達(dá)每天幾秒鐘)，從而使第二可替換的時間不精確。因此，在分布式系統(tǒng)的實體之間使用同步方法是重要的。在對分布式系統(tǒng)中的節(jié)點集合進(jìn)行同步的兩個方法之間進(jìn)行區(qū)分。將基于使用外部參考時鐘的第一個方法稱為外部同步。將意在保持一組時鐘同步的第二個方法稱為內(nèi)部同步。內(nèi)部同步方法意在將分布式系統(tǒng)中的所有時鐘收斂至相同的時間。這不是真實的時間。這是滿足所有時鐘之間多個折中的時間。在外部同步方法中，分布式系統(tǒng)的不同實體的時鐘試圖盡可能地靠近公共時鐘 (系統(tǒng)時鐘，或系統(tǒng)外部的時鐘)。例如，可以將公共時鐘設(shè)置為GPS(全球定位系統(tǒng))時間或LORAN(遠(yuǎn)程導(dǎo)航)時間。時鐘主要包括振蕩器和計數(shù)器。振蕩器有規(guī)律地產(chǎn)生時鐘“滴答”，從而計數(shù)器增加一個單位。其結(jié)果是計數(shù)器輸出的數(shù)量必須將指定時間作為因素(例如，如果已知100 個滴答對應(yīng)1秒鐘，則僅需要對計數(shù)器除以100來獲得秒內(nèi)的時間)。振蕩器的特征由振蕩頻率來表示，并通常進(jìn)行整形以獲得方波周期信號。在這種情況下，時鐘滴答例如可以對應(yīng)于方波信號的上升沿或下降沿。更概括地，考慮同步問題的標(biāo)準(zhǔn)情況，考慮屬于兩個通信實體的兩個時鐘的同步， 其中一個時鐘是用于第二實體的參考時鐘。當(dāng)其是公共時鐘時，通過將在公共時鐘的時間窗內(nèi)記錄的參考時鐘的滴答數(shù)量發(fā)送給第二時鐘，使得兩個遠(yuǎn)程時鐘同步。已知該數(shù)為時間戳。從而，接收時鐘通過使用所接收的時間戳和公共時鐘調(diào)整其節(jié)奏。
然而，所發(fā)送的時間戳是參考時鐘震蕩周期的自然整數(shù)，從而忽略了參考時鐘信號周期的任何一部分。其結(jié)果是最大同步精度大約是參考時鐘的一個周期。已知的系統(tǒng)和方法是不完美的，特別是它們的低精度。它們具有的時間分辨率不小于參考時鐘的周期。它們不能詳細(xì)描述公共時鐘的時間窗內(nèi)觀測的參考時鐘脈沖數(shù)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提升兩個時鐘之間的同步精度。本發(fā)明的另一目的是減少分布式網(wǎng)絡(luò)中的兩個實體之間的時間漂移。本發(fā)明的另一目的是獲得等于或小于參考時鐘的一個周期持續(xù)時間的分辨能力。本發(fā)明的另一目的是將同步精度提高到參考時鐘脈沖周期的一小部分。本發(fā)明的另一目的是減少攜帶同步消息的通信網(wǎng)絡(luò)中的抖動。本發(fā)明的另一目的是在從參考時鐘向第二時鐘傳送少量的時間戳?xí)r，確保高同步精度。本發(fā)明的另一目的是在有限的觀測時間窗內(nèi)確保高同步精度。本發(fā)明的另一目的是減少同步方法的精度依賴于公共時鐘頻率的程度。本發(fā)明的另一目的是限定同步調(diào)整功能。本發(fā)明的另一目的是消除影響同步方法不確定性的根源，避免必須對幾個時間戳求平均值。根據(jù)第一方面，本發(fā)明公開了一種用于在第一參考時鐘和受控于參考時鐘頻率的第二時鐘之間進(jìn)行時鐘同步的方法，兩個時鐘共享公共時鐘，本方法包括下列步驟使用參考時鐘和公共時鐘來計算時間戳的整數(shù)部分；生成參考時鐘本地的系統(tǒng)時鐘；計算系統(tǒng)時鐘信號和參考時鐘信號之間的相移；計算系統(tǒng)時鐘信號和公共時鐘信號之間的相移；計算時間戳的小數(shù)部分；將小數(shù)的時間戳發(fā)送給第二時鐘；使用公共時鐘和所接收的時間戳控制第二時鐘。根據(jù)第二方面，本發(fā)明公開了一種在第一參考時鐘和從屬于參考時鐘頻率的第二時鐘之間的時鐘同步系統(tǒng)，兩個時鐘共享公共時鐘，本系統(tǒng)包括參考時鐘本地的系統(tǒng)時鐘；禾口參考時鐘本地的數(shù)控振蕩器。


通過閱讀下面的優(yōu)選實施方式，并參照附圖，本發(fā)明的其它特點和優(yōu)勢會變得更清楚和非常明顯，其中圖1和圖2以圖解的方式示出了現(xiàn)有技術(shù)；圖3以圖解的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的計算時間戳的方法。
具體實施方式
在下面描述的高精度時鐘同步方法和系統(tǒng)中，假設(shè)分布式系統(tǒng)至少包括第一實體1，其時鐘11將用作至少一個第二實體2的參考，其中第二實體2配備有時鐘12 ；以及公共時鐘3。公共時鐘的實施例包括GPS(全球定位系統(tǒng))時間，LORAN(遠(yuǎn)程導(dǎo)航)時間和任意其它被認(rèn)為是精確的并且是實體1和2可訪問的時間。兩個實體之間的關(guān)系通常涉及客戶機-服務(wù)器關(guān)系或主-從關(guān)系，其中第二實體 2的時鐘12受控(slave)于第一實體1的時鐘11。需要說明的是，實體可同時為主控或從控的。同步取決于時間戳4從第一實體1至第二實體2的常規(guī)傳輸。時間戳包含反映參考時鐘11在公共時鐘3的觀測時間窗內(nèi)進(jìn)行的時鐘滴答的整數(shù)數(shù)量的自然整數(shù)。例如，圖2描述了具有指定頻率的參考時鐘11 ；具有優(yōu)選地高于參考時鐘頻率的頻率的公共時鐘3，和在公共時鐘3的時間間隔對來自參考時鐘11的信號進(jìn)行采樣5。采樣5確定時間戳4的內(nèi)容。需要說明的是，在該實施例中，時鐘滴答對應(yīng)于時鐘信號的任意上升沿，和公共時鐘3的時間的觀測時間窗等于來自公共時鐘3的信號周期的3倍。結(jié)果是在來自公共時鐘3信號的每3個信號周期，將時間戳發(fā)送給第二實體2。在采樣時間51和52得到的時間戳4分別等于2和4。時間戳4對應(yīng)于觀測窗中確定的來自參考時鐘11信號中上升沿的數(shù)量，用公共時鐘3的多個周期來表示。在一個變形中，時間戳4包括在最近發(fā)送的時間戳中檢測的上升沿的數(shù)量。在這種情況下，時間戳在采樣時間51和52的值分別等于2和2。需要說明的是，在采樣時間El和E2的不精確的記錄值分別為51和52。這些不精確值是來自參考時鐘11的信號周期的一小部分。El和E2表示來自參考時鐘11的信號和來自公共時鐘3的分別在采樣時間51和 52的信號的相移。因此，E是來自時間戳4在觀測窗中不考慮的參考時鐘的信號周期的一小部分的總和。需要說明的是，該總和是代數(shù)的，換句話說，在觀測窗的末端，可以對來自參考時鐘11 的信號周期增加一小部分或減小一小部分。位于參考時鐘11本地的系統(tǒng)時鐘6用于考慮來自參考時鐘11的信號周期的一小部分E，如圖3所示。系統(tǒng)時鐘6的頻率大于或等于參考時鐘11。這樣的時鐘可以由提供有優(yōu)選地與公共時鐘3和參考時鐘11失去同步的本地時鐘的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)容易地進(jìn)行管理。系統(tǒng)時鐘6利用在公共時鐘3的時間窗內(nèi)觀測到的參考時鐘11的周期對小部分
E進(jìn)行量化。至此，將NCO(數(shù)控振蕩器)用于計算系統(tǒng)時鐘6和參考時鐘11之間的相移；和
系統(tǒng)時鐘6和公共時鐘3之間的相移。以這種方式使用NC0，除上升沿之外，還可允許時鐘振蕩器的相位。計數(shù)器與每個相移計計算器相關(guān)聯(lián)。第一計數(shù)器在系統(tǒng)時鐘6的每個上升沿增力口，其步長等于來自系統(tǒng)時鐘6的信號周期和來自參考時鐘11的信號周期之間的比率。第二計數(shù)器在系統(tǒng)時鐘6的每個上升沿增加，其步長等于來自系統(tǒng)時鐘6的信號周期和來自公共時鐘3的信號周期之間的比率。在每個采樣時間51、52，分別從系統(tǒng)時鐘6和系統(tǒng)時鐘11之間的相移、以及系統(tǒng)時鐘6和公共時鐘3之間的相移導(dǎo)出要發(fā)送的時間戳的小數(shù)部分。要發(fā)送的時間戳的小數(shù)部分等于通過下列操作獲得的量的小數(shù)部分“第一計數(shù)器增加步長”乘以“參考時鐘11的頻率和公共時鐘3的頻率之間的比率”，減去由第一計數(shù)器在采樣時間的值。發(fā)送到受控于參考時鐘11頻率的第二時鐘12的時間戳包括，由公共時鐘的時間窗中的上升沿數(shù)量確定的第一整數(shù)部分；和由系統(tǒng)時鐘6和參考時鐘11的信號之間的相移和系統(tǒng)時鐘6和公共時鐘3之間的相移導(dǎo)出的小數(shù)部分。作為變量，使用第一和第二計數(shù)器的值，由兩個連續(xù)采樣時間內(nèi)計算的值之間的差別確定的時間戳的值。需要說明的是，系統(tǒng)時鐘能夠?qū)碜詤⒖紩r鐘11的信號和來自公共時鐘3的信號進(jìn)行過采樣，導(dǎo)致更好的描述，從而導(dǎo)致同步方法更好的精度。使用具有小數(shù)值的時間戳可以獲得有限觀測時間窗內(nèi)參考時鐘11的滴答的更詳
細(xì)的量。需要說明的是，這樣增加的精度取決于可用于對小數(shù)部分進(jìn)行編碼的比特數(shù)量。在接收時，第二接收實體2使用PLL(鎖相環(huán))發(fā)現(xiàn)參考時鐘11的振蕩頻率。該 PLL將第二實體2中的時鐘12的頻率從動于參考時鐘11的頻率。需要說明的是，還可將其它處理加入到該同步方法中以考慮由于傳輸信道導(dǎo)致的干擾，例如分組延遲變化，或分組丟失。
權(quán)利要求
1.一種用于在第一參考時鐘(U)和從動于參考時鐘頻率的第二時鐘(12)之間進(jìn)行時鐘同步的方法，兩個時鐘共享公共時鐘(3)，其特征在于所述方法包括下列步驟使用參考時鐘(11)和公共時鐘(3)計算時間戳的整數(shù)部分；生成參考時鐘(11)本地的系統(tǒng)時鐘；計算系統(tǒng)時鐘信號(6)和參考時鐘信號(11)之間的相移；計算系統(tǒng)時鐘信號(6)和公共時鐘信號(11)之間的相移；計算時間戳的小數(shù)部分；將十進(jìn)制時間戳發(fā)送給第二時鐘；使用公共時鐘(3)和所接收的時間戳強制同步第二時鐘(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，系統(tǒng)時鐘(6)與參考時鐘(11)和公共時鐘(3)失去同步。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，系統(tǒng)時鐘(6)的頻率高于或等于參考時鐘(11)的頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用數(shù)控振蕩器計算系統(tǒng)時鐘的信號和參考時鐘的信號之間或系統(tǒng)時鐘的信號和公共時鐘的信號之間的相移。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，系統(tǒng)時鐘(6)由現(xiàn)場可編程門陣列管理。
6.一種第一參考時鐘(11)和從動于參考時鐘頻率的第二時鐘(12)之間的時鐘同步系統(tǒng)，兩個時鐘共享公共時鐘(3)，其特征在于所述系統(tǒng)包括參考時鐘本地的系統(tǒng)時鐘(6)；和參考時鐘(11)本地的數(shù)控振蕩器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)時鐘(6)由現(xiàn)場可編程門陣列管理。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)控振蕩器計算系統(tǒng)時鐘信號(6)和參考時鐘信號(11)之間的相移。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)控振蕩器計算系統(tǒng)時鐘信號(6)和公共時鐘信號(3)之間的相移。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種涉及在第一參考時鐘和從動于參考時鐘頻率的第二時鐘之間的時鐘同步方法，兩個時鐘共享公共時鐘，所述方法包括下列步驟根據(jù)參考時鐘和公共時鐘計算時間戳的整數(shù)部分；使用參考時鐘來生成本地系統(tǒng)時鐘；計算系統(tǒng)時鐘信號和參考時鐘信號之間的相移；計算系統(tǒng)時鐘信號和公共時鐘信號之間的相移；計算時間戳的小數(shù)部分；將十進(jìn)制時間戳發(fā)送給第二時鐘；使用公共時鐘和所接收的時間戳強制同步第二時鐘。
文檔編號H04L7/00GK102474410SQ201080033540
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者西莫內(nèi) S·迪, T·布隆代爾 申請人:阿爾卡特朗訊公司